高速切削GH2132 涂層刀具表面及次表面性能演變研究*

楊文峰 鄭光明 高 軍 劉 濤 杜洪剛

（①山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；②山東兄弟商業(yè)設(shè)施有限公司，山東 泰安 271000）

GH2132 合金是一種加入Mo、Ti、Al、V 及微量B 綜合強(qiáng)化之后的Fe-25Ni-15Cr 基沉淀硬化型變形高溫合金，因具有高強(qiáng)度和極好的耐腐蝕性，且在中溫下性能優(yōu)良，可代替價(jià)格昂貴的鈷基高溫合金，常用于制造在低于650 ℃長(zhǎng)期工作的高溫承力部件[1-3]。但其熱導(dǎo)率低、加工硬化嚴(yán)重，屬于難加工材料，切削過程中切削力大、局部切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重[4]，存在加工效率低，加工表面質(zhì)量差等問題。PVD 涂層刀具因表面涂層具有較高的耐高溫性和耐腐蝕性[5]，近年來被廣泛用于高溫合金的精加工。

表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應(yīng)力等表面性能是影響刀具壽命的關(guān)鍵因素，表面粗糙度會(huì)影響刀具-工件間的摩擦系數(shù)，表面顯微硬度與刀具的耐磨性息息相關(guān)[6]，涂層殘余應(yīng)力的大小與分布會(huì)直接影響涂層性能，進(jìn)而影響刀具壽命。PVD 涂層高水平的殘余壓應(yīng)力可以抑制裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展且具有較高的硬度和耐磨度，但當(dāng)殘余壓應(yīng)力超過臨界值會(huì)導(dǎo)致涂層的脆性惡化[7-8]，進(jìn)而加劇刀具的磨損。調(diào)節(jié)涂層中的殘余應(yīng)力分布可以限制涂層塑性變形，從而提高得刀具的抗拉強(qiáng)度、抗斷裂能力以及膜基結(jié)合力[9-10]，進(jìn)而提升刀具的使用壽命。

近年來微拉曼光譜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微尺度力學(xué)問題研究，因其具有快速、簡(jiǎn)便、高效及空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于涂層系統(tǒng)的殘余應(yīng)力測(cè)量[11]，該技術(shù)可用于測(cè)量刀具涂層沿深度方向的殘余應(yīng)力。Bernd B 等[12]利用拉曼光譜法測(cè)量了硬質(zhì)合金基體上TiAlN 涂層的殘余應(yīng)力分布，闡明了拉曼峰移與殘余應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系；Hou M D等[13]通過拉曼光譜法測(cè)量了WC-10wt%Co 基體上TiAlN 涂層深度方向的殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力分布能夠抑制涂層中裂紋的擴(kuò)展；Tanaka M 等[14]通過拉曼光譜技術(shù)測(cè)量了高溫合金基體上涂覆EB-PVD 4mol% Y2O3-ZrO2熱障涂層（TBC）的殘余應(yīng)力分布；Qiu W 等[15]利用拉曼光譜研究了多層薄膜沿深度方向上的殘余應(yīng)力的分布。

目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在涂層殘余應(yīng)力對(duì)涂層性能及刀具使用壽命的影響，缺乏對(duì)實(shí)際切削過程中涂層次表面殘余應(yīng)力的演變研究。本文通過PVD-TiAlN 硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)GH2132 合金的高速干車削試驗(yàn)，分析刀具在完整壽命期間后刀面的表面性能及次表面殘余應(yīng)力分布的變化規(guī)律，為硬質(zhì)合金涂層刀具高速干車削GH2132 合金提供理論參考和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工件材料與刀具材料

工件材料選擇高溫合金GH2132 的棒料，尺寸為?90 mm×300 mm，其主要物理性能及化學(xué)成分分別見表1 和表2。

表1 GH2132 物理性能

表2 GH2132 化學(xué)成分（%）

刀具為Sandvik 公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金涂層刀具，牌號(hào)為SM1105，型號(hào)為CNMG120408，采用PVDTiAlN 涂層，膜厚3～4 μm，基體為硬質(zhì)合金。試驗(yàn)所用刀桿型為TCLNR2020K12-APT，刀具主偏角κr為95°，前角 γo為6°，后角 αo為0°，刃傾角 λs為0°，刀尖半徑為0.8 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

在上海儕潤(rùn)C(jī)K6140 數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行高速干車削試驗(yàn)，根據(jù)初期試驗(yàn)確定車削參數(shù)：切削深度ap=0.1 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.175 mm/r，切削速度vc=120 m/min。切削現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 切削現(xiàn)場(chǎng)圖

按照刀具的磨損階段進(jìn)行高速干切削試驗(yàn)，獲得不同磨損階段及未磨損在內(nèi)的6 組樣品，不同磨損階段刀具樣品的后刀面磨損量如圖2 所示。切削結(jié)束后，檢測(cè)不同磨損階段刀具后刀面的表面殘余應(yīng)力及涂層截面殘余應(yīng)力分布、表面硬度、表面粗糙度、表面形貌，分析其變化規(guī)律。

圖2 刀具各階段磨損曲線

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

切削試驗(yàn)的后刀面磨損值通過USB2000 便攜式電子顯微鏡測(cè)得。切削試驗(yàn)結(jié)束后，將涂層刀具通過PL-S40 型超聲清洗器進(jìn)行無水乙醇超聲波清洗30 min，通過DSX1000 型3D 數(shù)碼顯微鏡測(cè)量刀具后刀面表面粗糙度，通過HSV-1000A 型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量后刀面硬度。

使用金剛石刮擦同批次涂層刀具獲得零應(yīng)力涂層粉末，采用DM320A 型電火花線切割機(jī)將刀具切割用于制備截面樣品，將切割后的試件用樹脂鑲嵌，通過MP-2CE 型全自動(dòng)金相試樣拋光研磨機(jī)進(jìn)行研磨拋光至W1.5。采用LabRAM HR evoiution 型激光拉曼光譜儀測(cè)量涂層粉末獲得零應(yīng)力峰的拉曼頻移并通過面掃描數(shù)據(jù)采集方式測(cè)得后刀面切削刃位置的涂層表面及截面的拉曼光譜，通過式（1）計(jì)算得到涂層表面殘余應(yīng)力及截面殘余應(yīng)力分布。

式中：σ為殘余應(yīng)力；?ν 為拉曼峰移；Π為應(yīng)力系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具表面粗糙度

切削過程中刀具表面粗糙度的變化曲線如圖3所示，可看出隨著切削長(zhǎng)度的增加，刀具后刀面粗糙度呈增大—減小—增大的趨勢(shì)。在磨損初期，刀具與工件剛開始接觸，切削力不穩(wěn)定，表面粗糙度增大。到穩(wěn)定磨損階段初期，此時(shí)切削力逐漸穩(wěn)定并且切削溫度上升緩慢，表面粗糙度減小。隨著車削的進(jìn)行，涂層逐漸脫落，基體劃痕增多，表面粗糙度緩慢增大。到急劇磨損階段刀具的涂層基本剝落，熱障功能消失，基體暴露，受到熱載荷和機(jī)械載荷的沖擊，表面出現(xiàn)大量的黏結(jié)層、劃痕及溝壑，表面粗糙度急劇增大。

圖3 刀具表面粗糙度隨切削長(zhǎng)度變化曲線

2.2 涂層表面殘余應(yīng)力

切削過程中刀具表面殘余應(yīng)力變化曲線如圖4所示，刀具在整個(gè)切削過程中表面殘余應(yīng)力一直處于壓應(yīng)力狀態(tài)（負(fù)值），且在完整刀具壽命期間表面殘余壓應(yīng)力呈增大—減小—增大的趨勢(shì)。

圖4 刀具表面殘余應(yīng)力隨切削長(zhǎng)度變化曲線

切削過程中涂層刀具要承受機(jī)械載荷和熱載荷的交互作用，殘余拉應(yīng)力源于熱載荷，殘余壓應(yīng)力源于機(jī)械載荷。在初期磨損階段，刀具切削狀態(tài)不穩(wěn)定，切削過程中刀具受到機(jī)械載荷的強(qiáng)烈沖擊，涂層受機(jī)械載荷作用產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)機(jī)械載荷引起的塑性變形占主導(dǎo)地位，表面殘余壓應(yīng)力顯著增大。到穩(wěn)定磨損階段前期，切削狀態(tài)穩(wěn)定，表面殘余應(yīng)力變化不大。切削長(zhǎng)度增加至500 m 時(shí)，處于穩(wěn)定磨損階段后期的刀具切削熱聚積過多，受較高切削溫度的影響，此時(shí)熱載荷塑性變形占主導(dǎo)地位，殘余壓應(yīng)力的釋放以及產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵消部分殘余壓應(yīng)力，導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力顯著減小。到急劇磨損階段時(shí)，刀具后刀面磨損加劇，當(dāng)切削長(zhǎng)度為625 m 時(shí)，后刀面磨損量為0.364 mm，遠(yuǎn)超磨損標(biāo)準(zhǔn)，刀具變鈍，刀具的切削狀態(tài)極不穩(wěn)定，刀具切削過程中受到過大機(jī)械載荷沖擊，殘余應(yīng)力受到機(jī)械載荷的影響遠(yuǎn)大于熱載荷，導(dǎo)致表面殘余壓應(yīng)力急劇增大。

2.3 涂層次表面殘余應(yīng)力

2.3.1 未磨損涂層次表面殘余應(yīng)力

圖5 所示為未磨損刀具涂層次表面殘余應(yīng)力分布云圖，通過顏色漸變可看出涂層中的殘余壓應(yīng)力從表面到基體逐漸增大（灰色逐漸加深）。在靠近表面的涂層區(qū)域有最大殘余拉應(yīng)力（正值）為0.5 GPa，但大部分仍為殘余壓應(yīng)力（負(fù)值），僅有少部分殘余拉應(yīng)力；在涂層中間位置殘余拉應(yīng)力已全部消失；而在靠近基體的涂層區(qū)域均為較高的殘余壓應(yīng)力，且有最大的殘余壓應(yīng)力為-6.2 GPa。涂層從表面到基體的橫向平均值由-2.4 GPa 增大到-5.2 GPa。

圖5 未磨損刀具涂層次表面殘余應(yīng)力分布云圖

涂層內(nèi)殘余應(yīng)力由結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力組成，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是涂層在沉積過程中冷凝物的強(qiáng)缺陷引起的，而熱應(yīng)力是由基體和涂層的熱膨脹系數(shù)不同引起的，通常結(jié)構(gòu)應(yīng)力與熱應(yīng)力性質(zhì)相反，結(jié)構(gòu)應(yīng)力占主導(dǎo)地位[16]。涂層截面殘余壓應(yīng)力從表面到基體遞增說明越靠近基體涂層內(nèi)晶體的位錯(cuò)密度越高，由晶體缺陷引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力（殘余壓應(yīng)力）越大，而高密度位錯(cuò)主要集中在涂層與基體的界面處。

2.3.2 不同磨損階段涂層次表面殘余應(yīng)力

圖6 所示為干切削條件下不同磨損階段涂層次表面殘余應(yīng)力分布，可以看出在整個(gè)切削過程中涂層深度方向殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)并沒有改變，仍是從表面到基體逐漸增大。初期磨損階段刀具受到強(qiáng)烈的機(jī)械載荷沖擊，涂層表面產(chǎn)生機(jī)械塑性變形導(dǎo)致壓應(yīng)力增大，穩(wěn)定磨損階段前期將這一現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，此時(shí)涂層有最大的壓應(yīng)力值。到穩(wěn)定磨損階段后期在較高的切削溫度的影響下基體與涂層產(chǎn)生熱塑性變形，由于涂層的熱膨脹系數(shù)大于基體，冷卻過程中，涂層在與基體交界處有較大的收縮差，導(dǎo)致涂層在靠近基體位置產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力拉低了殘余壓應(yīng)力的平均值，因此在磨損后期涂層靠近基體處的殘余壓應(yīng)力沒有繼續(xù)增加反而減小了1.1 GPa。

圖6 不同磨損階段刀具涂層次表面殘余應(yīng)力分布

通過分析發(fā)現(xiàn)，切削過程中機(jī)械載荷對(duì)涂層表面位置的殘余應(yīng)力影響較大，而熱載荷對(duì)涂層靠近基體位置的殘余應(yīng)力影響較大。

2.4 刀具表面顯微硬度

刀具后刀面的表面顯微硬度隨切削長(zhǎng)度的變化曲線如圖7 所示，在完整的刀具壽命期間內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，表面顯微硬度與表面殘余壓應(yīng)力呈正比例相關(guān)，原因可能是由大量的晶體缺陷引起的表面殘余壓應(yīng)力能夠抵抗硬度儀壓頭的滲透。在初期磨損階段，涂層內(nèi)殘余壓應(yīng)力的增大導(dǎo)致表面顯微硬度顯著增大，在穩(wěn)定磨損階段后期涂層內(nèi)殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生導(dǎo)致表面顯微硬度不斷下降。在急劇磨損階段過后切削長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到625 m，涂層的剝落導(dǎo)致切削刃附近基體完全暴露，此時(shí)切削刃附件表面顯微硬度基本接近刀具基體的硬度。

圖7 刀具表面顯微硬度隨切削長(zhǎng)度變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在高速干車削過程中，刀具表面粗糙度呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，表面壓應(yīng)力和表面顯微硬度呈正比例相關(guān)，均為先增大后減小的趨勢(shì)。

（2）刀具涂層次表面殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主且從表面到基體逐漸增大，這一趨勢(shì)在穩(wěn)定磨損階段中期之前并沒有改變，到穩(wěn)定磨損階段后期，刀具受熱載荷的影響導(dǎo)致涂層在靠近基體位置殘余壓應(yīng)力沒有繼續(xù)增大反而減小了1.1 GPa。

（3）涂層刀具的表面及次表面性能在不同磨損階段差異明顯，相較于其他磨損階段，刀具在穩(wěn)定磨損階段前期有最佳的表面性能及最大的次表面殘余壓應(yīng)力，此時(shí)刀具切削性能最佳，刀具磨損緩慢。